Аристов Электропривод и электрооборудование

Условия для развития массового электропривода создались в конце XIX века благодаря открытия в 1886 г. Г. Феррарисом и Н. Тесла явления вращающегося магнитного поля, положившего начало созданию многофазных электродвигателей переменного тока, и, главным образом, благодаря комплексу выдающихся работ М.О. Доливо-Добровольского, который в 1888 г. предложил и реализовал трехфазную систему передачи электрической энергии переменного тока и разработал в 1889 г. трехфазный асинхронный электродвигатель с распределенной обмоткой статора и с короткозамкнутым ротором в виде беличьего колеса.

С развитием материальной базы электропривода создавалась его теория. Первой теоретической работой по электроприводу в России можно считать статью Д.А. Лачинова «Электромеханическая работа», опубликованную в журнале «Электричество» в 1880 г. В 1898 г. в учебных планах Петербургского электротехнического института появилась самостоятельная дисциплина «Электрическая передача и распределение электрической энергии». На основе первых разработок в области электропривода П.Д. Войнаровский в 1900 г. и В.В. Дмитриев в 1903 г. выпустили первые учебные пособия по курсу «Электрическая передача и распределение механической энергии». Так начиналась в России подготовка специалистов в области электропривода.

5.2.Переход от группового промышленного электропривода

киндивидуальному

Конец XIX – начало XX века характеризуется началом строительства электрических станций и развитием электрических сетей. Первая электростанция была построена исключительно для целей освещения. Централизованная выработка электроэнергии с ее последующим распределением послужила основой для создания промышленного электропривода.

На замену использовавшемуся ранее групповому приводу с паровым или гидравлическим первичным двигателем и механическим распределением энергии с помощью ремней и канатов пришел групповой электропривод. Не изменяя общей компоновки, он позволял не иметь на каждой фабрике свою тепловую станцию с паровыми котлами или гидравлическую с водяными колесами и основывался на использовании централизованного электроснабжения – электрической сети.

Интересно, что даже нововведение – промежуточное звено в виде электродвигателя между первичным двигателем и рабочей машиной – вызывало вначале у многих недоумение вследствие удорожания оборудования, его усложнения и возникновения потерь энергии при передаче ее по проводам на значительные расстояния.

81

Еще большее недоумение и возражения в начале ХХ века вызывала идея перехода к одиночному электроприводу, т. е. к замене механического распределения энергии электрическим, приближением электродвигателя к рабочей машине. Несмотря на уже имевшиеся положительные примеры таких решений, можно утверждать, что всю первую четверть ХХ века шла борьба между сторонниками группового и индивидуального электропривода.

Доводы первых выглядели весьма серьезно. Так, по данным крупных американских специалистов, относящимся к 1924 г., стоимость установленной мощности двигателя с необходимым оборудованием составляла для группового электропривода 29 долларов, для индивидуального – 150 долларов. Для индивидуального электропривода установленная мощность оказывалась в 3–5 раз больше, чем для группового, за счет разновременности нагрузки в последнем. Требовалось время для понимания неправомерности подобных сравнений, не учитывавших всего комплекса условий, определяющих результат.

Вэти условия входили, в частности, стоимость промышленных зданий, которые при групповом электроприводе оказались существенно более громоздкими, стоимость механических передач и потерь в них, удобство расположения рабочих машин, легкость их перемещения при изменении технологии производства, удобство компоновки производственной среды в целом, включая размещение подъемно-транспортных и других вспомогательных средств, существенное повышение общей культуры и безопасности производства и как следствие повышение производительности труда на 15–20 %.

Естественным итогом продолжавшегося более 25 лет непростого соревнования группового и индивидуального электроприводов была полная победа последнего на всех вновь строившихся предприятиях.

ВРоссии большую роль в развитии индивидуального электропривода сыграл план ГОЭЛРО, в соответствии с которым осуществлялась реконструкция старых и строительство новых электростанций, развивалась отечественная электротехническая промышленность.

Одновременно электрический привод вытеснял все виды механического привода. Так, мощность электродвигателей по отношению к общей мощности установленных двигателей в 1890 году составляла 5 %, в 1927 году – 75 %, к 1950 году – около 100 %. Вместе с тем еще в публикациях конца 20-х годов, например в книге Фокса Г. «Практика электрического привода», изданной в США в 1928 году, значительное место уделено сопоставлениям группового и индивидуального электроприводов, доказательствам преимуществ последнего.

82

Одновременно с развитием с развитием индивидуального электропривода создавалась его теория, была организована подготовка специалистов в этой области. В 1922 году в Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ) С.А. Ринкевичем была открыта кафедра электрического привода, а в 1924–1926 гг. выпущены первые инженеры этого профиля.

В 1925 г. вышел в свет первый отечественный учебник по электроприводу С. А. Ринкевича «Электрическое распределение механической энергии».

В 1925 г. в системе Всесоюзного электротехнического объединения создается первая проектная организация «Электронром» (позднее Государственный проектный институт – ГПИ – «Тяжпромэлектропроект»), в 1929 г. научные исследования в области электропривода организуются в ВЭИ. В 1929–1932 гг. создаются кафедры электропривода в Ленинградском политехническом (ЛПИ), Московском энергетическом (МЭИ), Харьковском электротехническом (ХЭТИ) институтах. Начинается интенсивное развитие отечественных научных школ в области электропривода. В 1930 г. в Харькове состоялась первая электротехническая конференция по электроприводу.

5.2.1.Регулируемый электропривод – поиск решений

Впериод интенсивного перехода к индивидуальному электроприводу, который в России практически завершился к 1934 г., во всех новых производствах появилось большое количество различных типов электроприводов.

Если в нерегулируемом электроприводе малой и средней мощности прочно заняли свое место и не уступили его до настоящего времени асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, а в мощных электроприводах – синхронные двигатели, то регулируемые электроприводы были весьма разнообразны. Это было связано с ограниченными техническими возможностями средств управления, вследствие чего приходилось искать способы управления в свойствах собственно электродвигателей. Так, широко использовались двигатели постоянного тока с различными схемами возбуждения (независимой, параллельной, последовательной, смешанной) при реостатном регулировании или при ослаблении магнитного поля, асинхронные двигатели с фазным ротором, коллекторные двигатели переменного тока, двигатели Бушеро и т. п.

Наибольшее применение в регулируемых электроприводах средней

ибольшой мощности в этот период и в дальнейшем нашла предложенная еще в конце XIX в. система Вард-Леонарда (генератор-двигатель), состоящая из нескольких электрических машин, но обладающая отлич-

83

ными регулировочными возможностями как в статике, так и в динамике. На основе этой системы удалось создать электропривод реверсивных прокатных станов. Первой такой установкой в СССР был электропривод блюминга мощностью 7000 л.с, выпущенный заводом «Электросила» в 1931 г. Для питания двигателя был установлен трехмашинный агрегат, состоящий из асинхронного двигателя мощностью 3680 кВт и двух генераторов постоянного тока мощностью по 3000 кВт. Система управления, разработанная ХЭМЗ, решала задачи автоматического управления магнитным полем генераторов и двигателей, моментом асинхронных двигателей и т. п.

5.2.2. Индивидуальный электропривод в технологических установках

Индивидуальный электропривод сыграл большую роль в развитии и совершенствовании многих технологических машин и агрегатов. Это осуществлялось главным образом за счет приближения двигателя к рабочему органу и исключения благодаря этому значительной части громоздких механических передач, а также за счет перехода от механического к электрическому управлению скоростью.

Несколько примеров эволюции привода и кинематики механизмов ряда технологических агрегатов: текстильная центрифуга, цементная печь рольганга, фрезерный станок. Эти примеры свидетельствуют о серьезных упрощениях в конструкции агрегатов при одновременном повышении функциональных возможностей, производительности и качества технологического процесса, снижении потерь электроэнергии.

Так, опыты, проведенные на трех аналогичных токарных станках, показали, что при непосредственном приводе шпинделя от двигателя удельная производительность составила 13,4, при приводе через зубчатые колеса – 8,3 и через ступенчатые шкивы – 7,4 кг/кВт·ч. При переходе в одном из типов прядильных машин к многодвигательному индивидуальному электроприводу производительность выросла па 40–100 % при уменьшении потребления энергии на 20–40 % и снижении численности персонала на 60 % .

Еще больший эффект дает соединение электродвигателя с рабочим органом рабочей машины в одно единое целое: мотор-колесо транспортного средства, электрошпиндель, электроверетено, электроинструмент, ролик рольганга в виде наружною ротора двигателя со статором размешенным внутри, и т. п. Это направление интеграции отдельных элементов в электромеханические модули, возникшее на ранней стадии освоения индивидуального электропривода, получило особенно убедительное развитие в последние годы.

84

Кначалу 40-х годов – электромеханическая часть индивидуального,

втом числе многодвигательного электропривода, приобрела современные черты. Его характерной особенностью оставалось релейноконтакторное управление, хотя уже стали появляться системы непрерывного управления. К ним в первую очередь следует отнести рассмотренную ранее систему Г – Д, некоторые схемы электрического вала на асинхронных двигателях с фазным ротором, использованные на шлюзовых затворах, в ряде машин и станков.

Начало 40 годов ознаменовывается также внедрением автоматического управления (идеи Уатта–Ползунова и др.), применительно к электроприводу. Первые практические разработки в России относятся к автоматическому управлению подачей в ряде технологических агрегатов: врубовых машинах, металлорежущих станках, нажимных устройствах прокатных станов, салазковых пилах и т. п.

Так в 1934 г. B. C. Вихманом была разработана отечественная версия системы копировального станка, основанная на фотоэлектрическом копировании по чертежу. В 1936 г. Т. Н. Соколов предложил новую систему электрокопирования по шаблону с электронно-ионным управлением, которая была реализована на станкостроительном заводе им. Я. М. Свердлова в 1940–1941 гг. Электроприводы подач копировальных станков явились первыми советскими следящими электроприводами.

В эти же годы появились, и стали быстро развиваться другие принципы построения систем автоматического управления электропривода, основанные на применении замкнутых структур с использованием усилителей разных типов: машинных, электронно-ионных, несколько позже магнитных.

В 40-е годы особенно большое распространение получили различные электромашинные усилители (ЭМУ), основанные на предложенном К. И. Шенфером еще в 1929 г. метадине–машине постоянного тока с двойным комплектом щеток и особой конструкцией магнитной цепи. Первая отечественная система управления электропривода с ЭМУ, выполненным как генератор постоянного тока с несколькими обмотками возбуждения, опередившая аналогичные зарубежные устройства, была разработана в 1937 г. в ВЭИ.

В 1941 г. начала интенсивно развиваться военная электротехника, в частности специальные следящие электроприводы для управления орудийным огнем, радиолокации и т. п. Большую роль в создании новых, оригинальных специальных электроприводов сыграл завод № 627, руководимый Л.Г. Иосифьяном, преобразованный затем в НИИ-627, а еще позднее во ВНИИЭМ, имеющий многочисленные филиалы по всей стране. ВНИИЭМ в последующие периоды играл определяющую роль в

85

создании авиационной, судовой, ракетной и космической техники и, в частности, ряда уникальных разработок систем ориентации, электроприводов с бесконтактными электрическими машинами и др.

Всередине 40-х годов были разработаны первые отечественные автоматические линии станков: для обработки головки блока цилиндров тракторного двигателя (ЭНИМС, завод «Станкоконструкция»), для обработки блока цилиндров двигателя грузового автомобиля (станкостроительный завод им. С. Орджоникидзе) и др. Появились первые заводы автоматы с автоматизированными основными и вспомогательными производственными процессами.

В40–50-е годы формируются научно-исследовательские и проект- но-конструкторские организации, внесшие весомый вклад в развитие отечественного электропривода. Это ВЭИ (регулируемые электроприводы широкого применения), ГПИ «Тяжпромэлектропроект» (электрооборудование металлургических производств). Центральный научноисследовательский институт технологии машиностроения – ЦНИИТмаш (электропривод станов холодной прокатки), трест «Электропривод», позднее ВНИИэлектро-привод (электропривод текстильных агрегатов, бумагоделательных и полиграфических машин, скоростных лифтов, экскаваторов), ЭНИМС (электроприводы металлорежущих станков), ВНИИЭМ (прецизионные электроприводы) и другие организации.

Практическая реализация электроприводов осуществлялась заводами «Электросила», ХЭМЗ, «Динамо», им. Я.МСвердлова, им. С. Орджоникидзе

имногимидругими.

К середине 50-х годов сформировалась теория и практика «дополупроводникового» электропривода. Были созданы и получили широкое признание учебники по электроприводу: С.А. Ринкевича «Теория электропривода» (1938 г.), А.Т. Голована «Электропривод» (1948 г.), Д.П. Морозова «Основы электропривода» (1950 г.), В.К. Попова «Основы электропривода» (1951 г.) и многие другие. Особенно следует отметить учебник М.Г. Чиликина «Общий курс электропривода», вышедший в 1953 г., выдержавший шесть изданий и внесший благодаря высокому уровню и доступностиизложениявесомый вкладвподготовкуспециалистоввСССР.

Стали общепринятыми основные технические решения – асинхронный с короткозамкнутым двигателем и синхронный электроприводы, если скорость не регулируется; электроприводы постоянного тока (система Г–Д, П–Д) или в отдельных случаях (краны и пр.) асинхронный электропривод с двигателем с фазным ротором, если нужно регулировать скорость или момент. В цепях возбуждения машин постоянного тока применялись ЭМУ, тиратронные выпрямители или магнитные усилители. Использовалось много разнообразных решений: магнитные

86

усилители в цепи статора асинхронного двигателя, импульсное регулирование, машины двойного питания, электрический вал и т. п.

В США созданы основы современной теории электромеханического преобразования энергии на основе обобщенной машины, получившие впоследствии широкое использование в практике разработки управляемого электропривода.

Все усилия направлены на решение задачи создания эффективных регулируемых электроприводов, вместе с тем основная масса (более 95 %) электроприводов остается нерегулируемой.

5.3. Перспективы развития элементной базы электропривода

В послевоенные годы в ведущих лабораториях мира произошел прорыв в области силовой электроники, кардинально изменивший многие сферы техники и, в частности, электропривод. В 1948 г Дж. Бардин и В. Браттейн (Белловская лаборатория, США) создали первые транзисторы. В конце 50-х – начале 60-х годов на первых, еще очень несовершенных силовых транзисторах (ток 5 А, напряжение 60 В), работающих в ключевом режиме, было построено множество оригинальных схем для питания маломощных двигателей и для цепей возбуждения мощных двигателей. В качестве примера можно привести известный преобразователь Ройера, преобразующий постоянное напряжение и прямоугольное переменное с управляемой частотой, и множество модификаций этой схемы. В технику электропривода начал входить управляемый ключ и построенные на его основе устройства.

Радикальное воздействие на технику электропривода оказал тиристор – мощный полууправляемый ключ, созданный в 1955 г. усилиями Дж. Молла, М. Танненбаума, Дж. Голдея и Н. Голоньяка (США). Появление тиристоров на тысячи вольт и большие токи при малых падениях напряжения в проводящем состоянии позволило полностью отказаться от громоздких, ненадежных и неэкономичных ртутных выпрямителей и тиратронов и полностью перейти на управляемые тиристорные выпрямители как в цепях возбуждения, так и в силовых цепях) электроприводов постоянного тока.

Система тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока (ТП–Д) стала с середины 60-х годов практически единственным техническим решением регулируемого электропривода малой и средней мощности; тиристорные возбудители активно вытеснили другие устройства в цепях возбуждения мощных электроприводов.

Преимущества системы ТП–Д, обеспечившие ей широкое применение взамен системы Г–Д, состоят в высоком быстродействии, ком-

87

пактности (блочная компоновка), высоком КПД, минимальном обслуживании, высокой надежности. На фоне этих преимуществ недостатки системы ТП–Д (дорогой двигатель постоянного тока, сложность рекуперации, ухудшение коммутации, низкий коэффициент мощности, пульсации выпрямленного напряжения и радиопомехи) на первых порах казались несущественными.

Примерно в это же время у системы ТП–Д появился конкурент. В 70-е годы в Институте электродинамики АН УССР и в МЭИ были проведены исследования оригинальной системы параметрический источник тока – двигатели постоянного тока, уверенно занявшей свое место в агрегатах кабельной промышленности, и ряде технологических линий, лебедках, нагрузочных устройствах и т. п.

Внастоящее время разработаны новые типы тиристоров, так называемые двухоперационные тиристоры или запираемые тиристоры. Они являются полностью управляемыми полупроводниковыми приборами, которые можно и включить и выключить по цепи управления. Такой тиристор в зарубежной терминологии получил обозначение GTO-

тиристор (Gate Torn - Off).

Все более широкое применение в электроприводах получают транзисторные преобразователи, выполненные на MOS или IGBT- транзисторах. Последние, на сегодняшний день, представляются самыми перспективными элементами для использования в качестве силовых управляемых ключей в диапазоне мощностей от единиц киловатт до единиц мегаватт.

Всвязи с этим можно сказать, что развитие статических преобразователей осуществляется по следующим направлениям:

•расширение границ применения полностью управляемых полупроводниковых приборов;

•распространение методов широтно-импульсной модуляции при формировании сигналов управления силовыми ключами;

•применение блочных принципов построения преобразователей не основе унифицированных силовых гибридных модулей, выполненных на базе транзисторов и тиристоров;

•возможность выполнения преобразователей переменного и постоянного тока и их комбинаций на единой конструктивной основе.

Особую роль в развитии современного электропривода внесли микропроцессорные системы управления. Создание в США на границе 60–70-х годов четырехразрядного однокристального микропроцессора INTEL 4004 и программируемого логического контроллера (ПЛК) PDP 14 ознаменовало новую эру в сфере управления электропривода. Уже в 70-е годы в мировой

88

практике эти технические средства начали интенсивно вытеснять использовавшиеся ранее контактные и бесконтактные реле; к 80-м годам схему управления на восьми и более реле стало экономически целесообразно заменятьПЛК.

Всравнении с устройствами монтажной логики ПЛK обладает высокой гибкостью при отладке, он не зависит от объекта управления, снижает расходы на разработку, программирование, тестирование и запуск изделия, очень компактен, имеет высокую надежность, упрощает обслуживание системы привода. ПЛК может выполнять вычисления, обеспечивать регулирование, принятие решений, наблюдение за отработкой алгоритма управления.

Всравнении с мини-компьютером ПЛК существенно проще, он ориентирован на непосредственное общение с объектом управления.

Впоследнее время в качестве обучаемых контроллеров в условиях изменения технологической среды эффективно используются нейроконтроллеры. В них алгоритмы управления устанавливаются путем адаптивного выбора из набора базовых алгоритмов, соответствующих разным ситуациям изменения среды и реализованные в виде отдельных модулей контроллера и программных блоков.

По мере развития микропроцессорных средств управления и ПЛК изменялась информационная часть электропривода: резко, почти скачкообразно, наращивались функциональные возможности в управлении координатами, во взаимодействии нескольких систем между собой и с внешней средой, в детальной диагностике состояния и защите всех элементов привода от любых нежелательных воздействий.

5.4.Развитие асинхронного и дискретного электроприводов

К60–70-м годам относится активизация научной работы в области электропривода в ведущих вузах страны. В частности, в Московском энергетическом институте (МЭИ), Уральском политехническом институте (УПИ) и Одесском политехническом институте (ОПИ) были проведены серьезные работы по исследованию асинхронного электропривода с тиристорами в цепи обмотки статора. Созданы теория и ряд базовых конфигураций такого электропривода, обосновано его применение

вкачестве «мягких» пускателей, экономайзеров, предприняты попытки практического использования параметрического регулирования.

Работы Ф. Блашке (ФРГ), опубликованные в начале 70-х годов, положили начало созданию систем асинхронного электропривода с ориентацией по магнитному полю с так называемым векторным управлением (система трансвектор).

89

В СССР получили развитие начатые еще в начале 40-х годов (А.А Булгаков, М.П. Костенко) перспективные работы в области час- тотно-регулируемого электропривода. В трудах А.С. Сандлера и его учеников в 70-х годах нашли отражение вопросы построения преобразователей частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на доступной в то время элементной базе – тиристорах, были сформулированы и детально исследованы принципы автоматического управления электропривода с преобразователями частоты.

Появились работы в области частотно-токового управления в асинхронном приводе.

В60–70-е годы в МЭИ под руководством М.Г. Чиликина проведены интенсивные исследования и разработки дискретного электропривода с шаговыми двигателями (Б.А. Ивоботенко), широко внедренные и металлургической, станкостроительной и других отраслях промышленности, получившие признание технической общественности и заложившие основы дальнейшего развития новых типов регулируемого электропривода.

Одновременно работы в области дискретного электропривода были начаты в ряде других научных центров, и частности в Лидском университете (Великобритания), ставшем позднее известным своими работами, связанными с силовыми версиями дискретного электропривода (П. Лауренсон).

Вэтот же период развивается электропривод с вентильными двигателями, в которых коллектор заменяется группой полупроводниковых ключей, коммутирующих обмотки и управляемых в функции положения ротора. Транзисторы и многочисленные устройства на их основе позволили перейти к практической реализации ряда эффективных идей

вобласти систем управления электропривода.

Наиболее плодотворной оказалась идея, предложенная еще в середине 50-х годов Кесслером (ФРГ) и состоящая в подчиненном регулировании координат электропривода с последовательной коррекцией. Сложная система строится как совокупность отдельных, но подчиненных один другому контуров (тока, скорости, положения и др.), каждый из которых оптимизируется отдельно посредством своего регулятора.

Во ВНИИэлектроприводе в 60–70-е годы были созданы нашедшие широкое применение в промышленности комплексы средств управления электропривода – аналоговая ветвь УБСР-АИ и цифровая ветвь УБСР-ДИ. Эти технические средства сыграли заметную роль в практическом развитии электропривода, поскольку они унифицировали, упрощали, сокращали время наладки и пуска сложных систем регулируемого электропривода постоянного и переменного тока с преобразователем частоты с непосредственной связью (ПЧНС).

90